СОСТОЯНИЕ КРИОЛИТОЗОНЫ
И ПРОГНОЗ ЕЕ РАЗВИТИЯ
Практически на каждом заседании Президиума СО РАН слушаются
отчеты по комплексной проверке институтов Отделения.
Так, 31 мая директор Института мерзлотоведения СО РАН доктор
технических наук Р.Каменский рассказал о научной и
научно-организационной деятельности своего института, о
перспективах дальнейшей работы.
К достижениям института в области фундаментальных исследований за
отчетный период можно отнести следующие результаты.
Предложена концептуальная модель взаимосвязи между основными
глобальными климатообразующими факторами (космопланетарными,
астропланетарными и геопланетарными). Предполагается, что периоды
свободных гармонических колебаний температуры, обусловленных
глобальными факторами, постоянны во времени, а амплитуды их
относительно невелики. Однако, в моменты совпадения фаз отдельных
климатообразующих циклов возможно проявление своеобразного
резонансного эффекта, который значительно усиливает степень
влияния глобальных факторов на климат и термический режим горных
пород в верхней части геологического разреза. Определено, что
именно данный эффект, названный терморезонансным, приводит к
значительным циклическим глобальным изменениям климата и
обуславливает пульсационный характер развития криолитозоны по
площади и разрезу.
На основе подобных представлений составлена схема взаимосвязи
между главными климатообразующими факторами в течение последних
130 тысяч лет для территории северной Евразии.
Уже четверть века научная общественность и средства массовой
информации обсуждают проблему глобального потепления климата
вследствие антропогенного увеличения содержания "парниковых
газов" в атмосфере. Все существующие модели показывают, что
потепление может быть значительным, особенно в высоких широтах
(до 6--8 градусов Цельсия). Толщи мерзлых пород должны
реагировать на это изменение климата уменьшением мощности или
полной деградацией. На основе современных
радиационно-циркуляционных моделей атмосферы в институте были
составлены сценарии повышения температуры поверхности горных
пород в зависимости от времени и местонахождения, для Западной
Сибири и Якутии на период до 2100 года. По прогнозу на
предстоящие 100 лет, протаивание вблизи южной границы криолитозоны
может достигнуть 12--18 метров, а сама граница сдвинуться на
север на 400 км. Все это может случиться, если произойдет
прогнозируемое удвоение содержания парниковых газов в атмосфере.
Теоретические модели нуждались в фактической проверке. Она
проводилась в институте разными путями в течение нескольких
последних лет. В результате сложилось мнение, что говорить о
глобальном потеплении климата под влиянием парникового эффекта в
настоящее время нет оснований. Более того, из анализа следует,
что в ближайшие годы начнется похолодание, которое будет длиться
около 30 лет.
Разработан новый численно-графический метод реконструкции
палеотемператур поверхности мерзлых пород на момент максимума
сартанского оледенения (18 тысяч лет назад) по данным
геотермических изменений в глубоких скважинах в районах с
нестационарной криолитозоной. Он основан не на анализе
температурной кривой, а на выявлении динамики разности тепловых
потоков в мерзлой и талой зоне на нижней фазовой поверхности. С
его помощью рассчитаны палеотемпературы и палеомощности мерзлых
пород сартанской эпохи в 19 пунктах на севере Западной Сибири и в
низовьях Енисея. Они указывают на то, что в сартанскую эпоху
температура мерзлых пород и воздуха была на 9--12 градусов ниже
современной, а мощность мерзлых пород на 200 м больше. Аномальный
ход температуры по меридиану севернее Полярного круга дает
основание полагать, что эта область была защищена от охлаждения
ледником небольшой мощности, вследствие чего породы имели более
высокую температуру, чем в южных районах.
Построена физико-математическая модель термодинамического
состояния и процессов преобразования геологической среды в
подмерзлотном пространстве при периодических изменениях мощности
мерзлой толщи в связи с длиннопериодными колебаниями климата
Земли. Эта модель позволила объяснить многие явления,
наблюдающиеся в зонах развития нестационарных мерзлых толщ,
которые распространены на всей территории Западной Сибири и в
депрессиях Сибирской платформы. В настоящее время идет процесс
уменьшения мощности мерзлой толщи за счет ее оттаивания снизу под
влиянием внутриземного теплового потока. В сильно закрытой
системе создается огромный дефицит гидростатического давления (до
300--400 м). Вблизи фазовой границы давление может упасть до
нуля, в результате чего развиваются процессы внутрипорового
испарения, стремящиеся уменьшить дефицит давления и скорость
оттаивания. При наличии сквозных таликов действует поршневой
эффект всасывания воды с поверхности в подмерзлотное
пространство.
В периоды похолоданий (ледниковые эпохи), когда мощность мерзлых
пород возрастает, в подмерзлотной зоне возникает избыточное
давление, которое выдавливает воду на поверхность. Оно часто
достигает величины предела прочности пород, вследствие чего
происходит их уплотнение, разрушение и появление специфической
трещиноватости, аккумулирующей избыток воды. Сотрудниками
института выявлены особенности пространственного распределения
физических и теплофизических свойств магматических,
метаморфических и сцементированных осадочных горных пород
основных геологических структур Северо-Востока России в пределах
Сибирской платформы, Верхояно-Чукотской и Джугджуро-Становой
горноскладчатых областей. Например, проявляется зональность в
распределении коэффициента теплопроводности терригенных пород.
Зональность наблюдается и в распределении плотности скелета
осадочных пород по глубине. Для терригенных пород порядок
возрастания их плотности соответствует степени тектонической
активности геологических структур.
Создана теоретическая модель частиц пород с изменяющейся формой
для оценки коэффициента теплопроводности горных пород разного
генезиса, структуры, пористости и плотности.
Установлен характер эволюции высокогорной криолитозоны Северного
Тянь-Шаня за последние 25 тысяч лет и дан прогноз изменения
мерзлотных условий этого региона до 2025 года. Показано, что
максимум потепления фиксируется в период 10--7 тысяч лет назад,
когда температура пород была выше современной на 1--1,5 градуса
С. На конец прогнозного периода образуется мерзлота несливающего
типа, верхняя поверхность которой будет наблюдаться на глубине
6--8 м. Высотная граница распространения многолетней мерзлоты
поднимется на 200--250 м, а область распространения мерзлоты
сократится на 20 процентов.
Изучены условия формирования подземного ледового комплекса
арктических низменностей и определены скорости современного
разрушения берегов северных морей. Исследования подошвы ледового
комплекса на побережьях морей Восточно-Сибирского и Лаптевых
позволили уточнить представления о его геологическом возрасте. По
термолюминесцентным данным установлено, что процессы аккумуляции
отложений в нижней части ледового комплекса происходили в
интервале 94--114 тысяч лет назад. В результате стационарных
наблюдений на ключевых участках побережий морей Лаптевых и
Восточно-Сибирского определены скорости разрушения и переработки
их береговой зоны, которые могут достигать нескольких метров в
год.
Получены данные о миграции и концентрации широкого круга
химических элементов в 2--5-метровом слое мерзлых пород. На этой
основе выявлена возможность формирования специфически наложенных
криогенных геохимических ореолов, которые являются индикаторами скрытых в
толще мерзлых пород месторождений полезных ископаемых.
Исследованы особенности влагопереноса и льдовыделения в
полиминеральной глине при предельных величинах внешнего давления.
Результаты этих исследований дают основание предполагать, что
максимальная глубина распространения шлировых криотекстур в
подобных отложениях не может превышать 50 м.
Разработан комплекс программ для решения задач тепломассопереноса
в трещиноватых и пористых средах при моделировании процессов,
происходящих на действующих гидротехнических сооружениях в
области криолитозоны.
В области прикладных исследований можно отметить следующие
результаты.
Впервые разработан принцип учета геокриологических условий при
сооружении подземных резервуаров в криолитозоне для хранения
различных жидкостей и газов. Подобные резервуары создаются
методом гидроразмыва мерзлых грунтов. Выявлены закономерности
протекания нестационарных процессов тепломассообмена вокруг
подземных резервуаров при взаимодействии заполняющих их жидкостей
или газов с окружающим мерзлым грунтовым массивом. На основе
этого предложены обоснованные методы обеспечения надежности
создаваемых подземных резервуаров в мерзлых грунтах.
Предложены новые инженерные решения устройства малозагубленных
фундаментов зданий и методы их расчета при глубоком сезонном
промерзании сильносыпучих грунтов.
Разработан новый способ складирования токсичных отходов горного
производства в условиях криолитозоны. Суть способа заключается в
устройстве многосекционного хвостохранилища с круглогодичным
регулированием цикла заполнения его емкостей и последующим
замораживанием складируемых отходов за счет теплообмена с
атмосферой в зимнее время.
Перспективы дальнейших исследований Института мерзлотоведения
определяются основным направлением деятельности, которое
формулируется так: "Природные криогенные геосистемы и их
изменчивость под влиянием естественных и техногенных факторов".
При этом задачами института являются: изучение закономерности
формирования береговой и шельфовой криолитозоны арктических
морей; комплексное прогнозное моделирование состояния
криолитозоны в условиях изменяющейся природной среды;
исследование геоэкологического состояния и тенденций развития
криогенных ландшафтов и их влияния на формирование температурного
режима мерзлых грунтов; изучение особенностей формирования и
динамики развития геофизических, геохимических и тепловых полей в
криолитозоне на площадях техногенного воздействия; разработка
новой концепции создания инженерной инфраструктуры на мерзлых
грунтах с учетом изменения их состояния.
стр.
| 
